呼伦贝尔森林-草原生态交错带土壤风蚀量时空变化及驱动力分析.pdf

生态与农村环境学报，（）：收稿日期：基金项目：生态环境部财政拨款项目（年）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（）通信作者：共同通信作者：胡梦甜，张慧，乔亚军，等呼伦贝尔森林草原生态交错带土壤风蚀量时空变化及驱动力分析生态与农村环境学报，（）：，（）：呼伦贝尔森林草原生态交错带土壤风蚀量时空变化及驱动力分析胡梦甜，张 慧，乔亚军，刘 坤，王 智，徐网谷（生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京；南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心 地理科学学院，江苏 南京）摘要：风蚀量是判断土壤流失和沙地化的重要指标。利用土壤风蚀修正模型，定量分析了、和 年呼伦贝尔森林草原生态交错带土壤风蚀量的时空变化特征，通过地理探测器模型研究了气候变化与人类活动对土壤风蚀变化量的驱动作用，重点探讨了土地利用和植被覆盖度变化对土壤风蚀量变化的影响。结果表明：（）、和 年研究区土壤风蚀总量分别为 、，总体呈现先上升后下降的趋势；与 年相比，年研究区有 的区域土壤风蚀强度减轻，有 的区域土壤风蚀强度恶化，其余 的区域土壤风蚀强度保持不变。（）年土壤风蚀量变化量的驱动因子之间交互作用显著，风蚀量的减少主要受人类活动与气候变化的协同驱动影响。（）年草地覆盖度增加、沙化土地封育、生态退耕和天然林保护措施对土壤风蚀量减少的贡献率分别为 、和 ，可见研究区的生态保护措施对风蚀量的减少具有重要的推动作用。关键词：风蚀修正方程模型；呼伦贝尔；森林草原生态交错带；土地利用；植被覆盖度；土壤风蚀量；地理探测器中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：（），；，；（），；（），生 态 与 农 村 环 境 学 报第 卷，：；风蚀对地表土壤的大量搬运和堆积，是导致干旱半干旱区土地沙化和沙地化进程最重要、最直接的作用过程之一。土壤风蚀研究方法主要有野外调查观测、风洞模拟、元素示踪法、遥感和 等，但这些方法无法满足大范围区域风蚀量快速动态估算的需求。为了定量模拟大范围区域风蚀量，自 世纪 年代起，国外先后开发了大量的风蚀 模 型，主 要 包 括 风 蚀 方 程（，）、修 正 风 蚀 方 程（，）、德克萨斯模型（，）、风蚀评价模型（，）、风蚀预报系统（，）等。其中，系统较为先进，但该系统建模过程复杂，数据要求繁杂，且缺乏相关参数的本地化工作，故该模型在国内应用较少。相比先进的 系统，模型因其参数较易获取、操作更为简单的特点，在我国不少地区的土壤风蚀和防风固沙功能计算与评估中得到了广泛应用，如在内蒙古自治区锡林郭勒盟、青海省浑善达克沙地、黑河流域等地都开展了相关工作。该模型也被作为生态保护红线划定指南和全国生态状况评估技术规范中防风固沙功能重要性的评估方法。对于风蚀量变化的驱动因素，学者大多采用相关性分析、主成分或聚类分析等传统方法进行研究，缺少从地理分异的角度对风蚀量变化的定量归因和驱动因素的空间差异性研究。地理探测器是一种强大的、能直接量化驱动因素及其交互作用影响的方法，它不必遵循传统统计方法的假设，且不涉及复杂的参数设置过程。近年来，地理探测器在土地利用、生态服务功能等地理现象的空间驱动力分析领域应用广泛。呼伦贝尔森林草原生态交错带是我国生态系统结构保存完整、健康状况良好的林草交错带，是我国北方地区重要的生态屏障。研究区冬春季寒冷多风，该区的草原是以栗钙土、风沙土为主的干草原，易形成风蚀，因此探究该地区土壤风蚀量的变化及其驱动因素对维护区域生态安全具有重要意义。近年来，虽然有学者研究了呼伦贝尔森林草原生态交错带土壤风蚀，但主要集中于区域的生态效益评估，鲜有对区域风蚀量变化的驱动力开展相关研究。笔者利用 风蚀修正模型研究呼伦贝尔森林草原生态交错带、和 年的土壤风蚀量时空分布变化，并识别其驱动因素，以期为该区域科学防治土壤风蚀、遏制区域沙化趋势提供科学支撑。研究区概况呼伦贝尔森林草原生态交错带处于大兴安岭西麓山地向亚洲中部蒙古高原东北部过渡的区域，东北区域为林区，海拔 ，由东北向西南依次为农田、森林草原、草甸草原和干旱草原，海拔 。研究区位于内蒙古自治区呼伦贝尔市中部，地理位置处于北纬 ，东经 之间，行政区域涉及呼伦贝尔市的额尔古纳市、根河市、牙克石市、陈巴尔虎旗、海拉尔区、鄂温克自治旗和新巴尔虎左旗共 个旗市（图）。该地区的经济活动主要包括种植业和畜牧业，其中种植业以冬小麦、油菜和苜蓿等种植为主；畜牧业以养羊、牛为主。研究区处在温带寒温带气候区，气候较干燥，多大风，研究区年平均气温在 之间，年降水量为 ，年均蒸发量 ，年日照时数为 ，年均风速 。研究区土地利用类型以森林、草地和湿地为主，总占比超过。其中，森林集中分布在研究区的东北部山区；草地主要分布在西南部；农田集中分布在林草交错带，主要位于额尔古纳市、呼伦贝尔市、牙克石市区域内；湿地主要分布在额尔古纳河、海拉尔河、根河、辉河区域。数据来源与研究方法 数据来源研究区采用的遥感数据源为 和 年的 卫星影像（空间分辨率 ）、年的 卫星影像（空间分辨率 ）（：）。依据全国 米分辨率土地利用分类系统并结合研究区实际情况，考 第 期 胡梦甜等：呼伦贝尔森林草原生态交错带土壤风蚀量时空变化及驱动力分析虑到大兴安岭地区在 年发生过特大火灾，年过火林区的植被还未恢复，因此在土地利用分类中增加火烧迹地类型，将土地利用类型分为森林、草地、农田、湿地、城镇用地、沙地和火烧迹地 类。采用人工目视解译方法分类，精度达 以上，土地利用变化检测总体精度达 以上。气象数据包括月平均风速，数据来源于国家青藏高原科学数据中心（：），空间分辨率为 。雪盖因子采用中国雪深长时间序列数 据 集（：）；土 壤 特性因子数据来自世界土壤数据库（，：），包括土壤粗砂、细砂、黏粒及有机质含量等理化性质；数据采用资源环境科学与数据中心发布的数据产品（：），空间分辨率为 ；土壤湿度数据采用干旱植被指数法计算得到，其中地表温度采用 发布的（：）数据；地表糙度因子采用 数字高程数据（：）计算得到。将所有因子统一为 分辨率的栅格数据，保证栅格计算过程准确。风蚀量计算模型风蚀量计算采用 模型，作为美国农田风蚀模型，其计算参数均来源于美国本土。迟文峰等在内蒙古高原利用 示踪技术检验 模型的模拟效果，发现该模型的风蚀量计算结果拟合性较好（，）。生态保护红线划定指南将该模型作为风蚀量和防风固沙功能的推荐评估方法，方法计算公式为 （），（）（），（）。（）式（）（）中，为实际土壤侵蚀量，；为区域防风固沙系数；为风沙滞留量，；为最大风蚀出现距离，；为气候因子，；为土壤可蚀性因子；为土壤结皮因子；为地表粗糙度因子；为植被因子。气候因子（）计算公式为 ，（）（），（），（）（）。（）式（）（）中，为风力因子，；为空气密度，；为重力加速度，取 ；为各月土壤湿度因子，表征土壤湿度抑制土壤风蚀效果的大小，土壤湿度越大，土壤湿度因子越小，越不易起沙，该因子以往大多采用气象站点数据插值计算得到，由于气象站点分布不均，插值结果往往有“牛眼”存在，因此采用干旱植被指数法表征土壤湿度因子；为雪盖因子；为起沙风速，参照江凌的计算方法，取 ；为 个月内日平均风速的天数，；为第 天的日平均风速，；，为 评估区域的地表温度，；，为评估区域 对应的最高地表温度，即干边；，为评估区域 对应的最低地表温度，即湿边；为海拔高度，；为绝对温度，即 在 各 月 平 均 气 温 数 据 的 基 础 上 加 常数 。土壤可蚀性因子（）和土壤结皮因子（）计算公式为（），（）。（）式（）（）中，为土壤粗砂含量，；为土壤粉砂含量，；为土壤黏粒含量，；为土壤有机质含量，；为碳酸钙含量，此次计算未予考虑，其值取。植被覆盖因子（）计算公式为 。（）式（）中，为植被覆盖度，由 个月的 指数计算得到年均植被覆盖度；为不同植被类型的系数，因不同植被类型的土壤风蚀效果不同，森林、草地、农田、沙地（包括裸地和沙地）分别取值 、。地表糙度因子（）计算公式为 ，（）。（）式（）（）中，为地形粗糙度长度，；为随 生 态 与 农 村 环 境 学 报第 卷机糙度，在区域尺度的计算中可以忽略不计；为地势起伏参数，；为距离 范围内的海拔高程差，。驱动因素选择土壤风蚀的产生受到土壤、地形等自然本底因素的制约，同时气温、降水、风速等气候因素以及人类活动也会对其产生影响。根据研究区的实际情况，从气候因素和人类活动方面选取 个影响因子，包括降水变化（）、气温变化（）、植被覆盖度变化（）、风速变化（）和土地利用类型（），作为探测研究区土壤风蚀变化量的驱动因素。以研究区范围为基础创建渔网，参照各影响因子空间分辨率将渔网大小设置为 。采用 软件 工具包中的 工具，将各影响因子按照平均值统计到各个渔网。因为地理探测器中自变量为类型量，对于顺序量需要进行离散化。在 语言环境下，采用等间隔法、分位数法、自然断点法和标准差法比较降水变化、气温变化、植被覆盖度变化、风速变化 个因子的离散化效果，采用自然断点法将植被覆盖度变化、降水变化、气温变化、风速变化分别分为、类。土地利用之间转化类型达 类，因此将土地利用变化因子分为 类。为深入探究呼伦贝尔森林草原生态交错带土壤风蚀量时空变化驱动机制，针对 年土壤风蚀量变化的主要影响因素开展研究。地理探测器模型采用地理探测器模型进行土壤风蚀量侵蚀变化的驱动力分析。地理探测器模型主要包括因子探测器和交互探测器。因子探测器用于分析自变量对因变量的解释程度，解释力的强弱通过比较 值的大小反映，取值在 之间，值越大，表示该影响因子对土壤风蚀变化量的影响越大。交互作用探测器可探索 个自变量的联合效应是否会增加、减少对因变量的解释力。通过比较因子单独作用时的 值（）和（）与交互作用时的 值（），对 个因子之间的关系进行界定。（）（）（）、（）同时大于（）和（）、（）处于（）和（）之间、（）同时小于（）和（）、（）（）（）分别表征非线性增强、双因子增强、单因子非线性减弱、非线性减弱、独立。结果与分析 呼伦贝尔森林草原生态交错带土壤风蚀量及强度的时空分布变化 从风蚀量的年际变化来看，、和 年研究区土壤风蚀总量分别为 、，总体呈现先上升后下降的趋势，年土壤风蚀总量减少 ，平均年降速为 万，年均下降率为 （图）。该图基于审图号为蒙（）号的标准地图制作。图 、年研究区土壤风蚀强度的空间分布 ，第 期 胡梦甜等：呼伦贝尔森林草原生态交错带土壤风蚀量时空变化及驱动力分析 评估期内，研究区单位面积风蚀量在 之间波动，单位面积风蚀量的年均下降率为 ，研究区单位面积风蚀量的下降幅度低于土壤风蚀总量的下降幅度。从研究区土壤风蚀量及强度的空间分布来看，土壤风蚀量整体呈现由东北部林区向西南部草原区逐渐增加的特征（图）。依据土壤侵蚀分类分级标准将研究区土壤风蚀强度分为 级（剧烈、极强烈、强烈、中度、轻度和微度）（表）。结果表明，年剧烈风蚀区域面积占研究区总面积的，该区域年均单位面积风蚀量达 ，主要包括新巴尔虎左旗西部、陈巴尔虎旗南部和鄂温克族自治旗西部区域；土壤极强烈风蚀区域面积占研究区总面积的 ，该区域年均单位面积风蚀量达 ，集中分布在新巴尔虎左旗中部，零散分布在鄂温克族自治旗；土壤强烈和中度风蚀区域面积占比相近，分别为 和，分布于新巴尔虎左旗、陈巴尔虎旗和鄂温克族自治旗交界处；研究区有 的土壤属轻度风蚀区，主要位于林草过渡带；土壤微度风蚀区面积占研究区总面积的 ，主要分布在林区。表 年呼伦贝尔森林草原生态交错带土壤风蚀变化 土壤风蚀强度分区土壤风蚀强度分级依据（）年分区面积占比 土壤风蚀强度变化分区风蚀强度变化分级依据 年变化区面积占比 微度 轻微减轻降低 个等级 轻度 明显减轻降低 个等级或以上 中度 未变化不变 强烈 轻微恶化增加 个等级 极强烈 严重恶化增加 个等级或以上 剧烈 从研究区风蚀量及强度空间变化来看，年，研究区有 的区域土壤风蚀强度未发生变化；有 的区域土壤风蚀强度减轻（表），主要分布在西南部的新巴尔虎左旗、陈巴尔虎旗和鄂温克族自治旗，单位面积风蚀量减少了；有 的区域土壤风蚀强度加重，主要分布在新巴尔虎器西北角和鄂温克族自治旗正北角，单位面积风蚀量增加了 。可见，年研究区土壤风蚀程度整体较为稳定，部分地区加重（图），其中西南部地区土壤风蚀程度减轻，而新巴尔虎器西北角和鄂温克族自治旗正北角部分地区土壤风蚀强度恶化。土壤风蚀量变化的驱动力分析依据地理探测器分析得出，单个影响因子变化量对土壤风蚀量变化量的解释力排序为土地利用变化降水变化风速变化植被覆盖度变化气温变化。整体来看，各因子变化量对土壤侵蚀量的解释力 值均很小，最大值亦不超过 ，表明单一因子变化量对土壤风蚀量变化驱动作用有限。与风速变化和气温变化因子相比，降水变化对土壤风蚀量变化的影响力较高，说明降水量增加对区域风蚀量减少发挥着重要作用。进一步探究各因子变化量的交互作用，发现任意 种因子交互作用的解释力高于单个因子（表），且降水变化与其他因子变化均呈双因子非线性增强作用。该图基于审图号为蒙（）号的标准地图制作。图 年研究区土壤风蚀量变化分布 其中，降水变化和土地利用变化的协同作用对土壤风蚀量变化的解释力最大，解释力 值达。同时，植被覆盖度变化与其他因子变化也均 生 态 与 农 村 环 境 学 报第 卷呈双因子非线性增强作用，且植被覆盖度变化协同降水变化解释力最强，值为 ；植被覆盖度变化协同土地利用变化次之，值为 。表 各驱动因子对土壤风蚀量变化量的解释力（值）（）驱动因子降水变化气温变化土地利用变化植被覆盖度变化风速变化降水变化 气温变化 土地利用变化 植被覆盖度变化 风速变化 表示双因子非线性增强，表示双因子增强。土壤风蚀量变化的人为影响因素分析利用研究区 年土地利用现状图和土地利用转换图（图），定量分析土地利用变化对风蚀量的影响。年大兴安岭林草交错带各土地利用类型发生了复杂的相互转换，农田转出面积变大，草地面积增加，湿地面积萎缩，退耕还草和城市化是农田的主要转出方向。年，退耕还草是农田面积减少、草地面积增加的主要转换方式，退耕还草面积达到 ，以鄂温克族自治旗林草交错带内的农田转换为主。年以后，城镇用地增加成为农田主要的转出方向，期间城镇用地增加占用农田 ，城镇用地占用农田扩张趋势明显。年间，湿地面积净减少 ，尤其是 年，湿地大面积退化为草地，多发生在新巴尔虎旗境内的呼伦湖、海拉尔流域（表）。年，土地利用类型转换分别造成了 风蚀量的增加和 风蚀量的减少。该图基于审图号为蒙（）号的标准地图制作。图 、年研究区土地利用分布图 ，地理探测器研究表明，土地利用变化协同植被覆盖度变化将增大对土壤风蚀量变化的影响，因此将土地利用变化与植被覆盖度变化协同分析土壤风蚀量变化的人为影响因素。将植被覆盖度按照马志勇等提出的植被覆盖度分级标准，按 、和 分别将研究区植被覆盖度分为低、中、高 类，研究不同土地利用类型、不同植被盖度之间的转化对土壤风蚀量的影响（植被覆盖度分类中湿地为沼泽湿地，不包含河流和湖泊）。表 列出了居前 位的不同植被覆盖度的土地利用类型下土壤风蚀量变化，研究区因为草地覆 第 期 胡梦甜等：呼伦贝尔森林草原生态交错带土壤风蚀量时空变化及驱动力分析盖度增加减少了 的土壤风蚀量，主要分布在陈巴尔虎旗、新巴尔虎左旗和鄂温克族自治旗大部分地区；因草地覆盖度降低增加了 土壤风蚀量，主要分布在鄂温克族自治旗西部巴彦乌拉苏木地区。沙地转化为草地、湿地、森林后土壤风蚀量减少了 ，主要分布在新巴尔虎旗东部、陈巴尔虎旗中部、鄂温克族自治旗中西部这 条沙带区；湿地覆盖度提高后，土壤风蚀量减少了，主要分布在额尔古纳河、海拉尔河等沼泽湿地区域。该图基于审图号为蒙（）号的标准地图制作。图 年土地利用转换图 表 研究区 年土地利用转移面积表 土地利用类型森林草地湿地农田城镇用地沙地火烧迹地转出面积净变化量森林 草地 湿地 农田 城镇用地 沙地 火烧迹地 转入 行表示 年的土地利用类型，列表示 年的土地利用类型。草地覆盖度增加、沙化土地封育（沙地质量改善、沙地转草地、沙地转湿地、沙地转森林）、生态退耕（农田转草地、林地和湿地）、天然林保护（森林覆盖度增加）对风蚀量减少的贡献率分别为 、和 ，占土壤风蚀减少总量的。其中，草地覆盖度增加导致的风蚀量降低最为明显，其次是沙化土地封育，虽然草地覆盖度增加、沙化土地封育与研究区降水增加有一定关系，但是这两者与研究区的围封禁牧、沙化土地封育政策关系更加密切，这些保护政策增加了草地生物量、盖度及高度，减少了草地的风蚀作用，提高了草地的保水能力。因此，今后应继续采取围封禁牧、休牧、轮牧、改良牧草场等措施，增加其覆盖度，可以有效减少该区域的风蚀量。结论（）研究区土壤风蚀量整体呈现东北部林区向西南部草原区递增的空间分布特征。生 态 与 农 村 环 境 学 报第 卷年土壤风蚀量波动下降，土壤风蚀总量共减少，年均下降率为 ；从风蚀强度变化来看，年研究区有 的区域土壤风蚀强度未发生变化；有 的区域土壤风蚀强度减轻；有 的区域土壤风蚀强度恶化。表 研究区不同植被覆盖度的土地利用类型下土壤风蚀量变化 年土地利用类型转化土壤风蚀量减少量占比）中覆盖度草地高覆盖度草地 低覆盖度草地中覆盖度草地 中覆盖度湿地高覆盖度草地 中覆盖度湿地高覆盖度湿地 低覆盖度湿地中覆盖度湿地 低覆盖度湿地中覆盖度草地 中覆盖度森林高覆盖度森林 低覆盖度森林高覆盖度森林 农田高覆盖度草地 农田农田 沙地沙地 沙地中覆盖度草地 沙地低覆盖度草地 沙地高覆盖度湿地 沙地中覆盖度湿地 沙地高覆盖度森林 ）占土壤风蚀量减少总量的比例。（）年间，研究区土壤风蚀量变化的主要驱动因子解释力表现为土地利用变化降水变化风速变化植被覆盖度变化气温变化，整体来看，各因子变化量解释力 值均很小，表明单一因子变化量对土壤风蚀量变化的驱动作用有限。对各因子变化量的交互作用分析发现，降水量变化与其他因子变化均呈双因子非线性增强作用，其中，降水变化协同土地利用变化与降水变化协同植被覆盖度变化可显著增强对土壤风蚀量变化的驱动作用。（）研究区草地覆盖度增加、沙化土地封育、生态退耕、天然林保护等转换方式对土壤风蚀量降低的贡献率为 ，说明该区域实施的沙化土地封育、天然林保护、退耕还草、退耕还林等一系列生态保护措施，对该地区的生态环境改善具有重要的推动作用。今后还需进一步采取禁牧、休牧、轮牧等措施，恢复和提升草地覆盖度，从而更有效地减少区域风蚀量。参考文献：，：，（）：，（）：张春来，宋长青，王振亭，等土壤风蚀过程研究回顾与展望地球科学进展，（）：，（）：姬亚芹，单春艳，王宝庆土壤风蚀原理和研究方法及控制技术 北京：科学出版社，：，：，：，（）：，：，（）：，：，：，：（），（）：江凌，肖燚，饶恩明，等内蒙古土地利用变化对生态系统防风固沙功能的影响生态学报，（）：，（），（）：张彪，王爽锡林郭勒盟风沙源治理区防风固沙功能变化评估生态与农村环境学报，（）：，（）：张玥，许端阳，王子玉，等 年锡林郭勒盟防风固沙服务功能变化驱动因素分析生态学报，（）：，（）：邢丽珠，张方敏，邢开成，等基于 模型的内蒙古巴彦淖尔市土壤风蚀变化特征及归因分析中国沙漠，（）：，第 期 胡梦甜等：呼伦贝尔森林草原生态交错带土壤风蚀量时空变化及驱动力分析 ，（）：王劲峰，徐成东地理探测器：原理与展望地理学报，（）：，：，（）：王治良，路春燕呼伦贝尔草原区土地利用及景观格局变化特征分析干旱区资源与环境，（）：，（）：郑树峰，王丽萍，臧淑英大兴安岭天保工程区生态系统服务变化研究地理科学，（）：，（）：，（）：李健呼伦贝尔草原沙漠化成因及生态治理分析防护林科技，（）：，（）：甘爽，肖玉，徐洁，等呼伦贝尔草原草甸生态功能区建设效益评价生态学报，（）：，（）：宁心哲，韩照日格图，杜敏，等呼伦贝尔草原沙化治理封育工程生态效益评价内蒙古林业科技，（）：，（）：，：迟文峰，白文科，刘正佳，等基于 模型的内蒙古高原土壤风蚀研究生态环境学报，（）：，（）：环境保护部生态保护红线划定指南北京：环境保护部，胡梦甜，张慧，高吉喜，等基于 模型修正的土地沙化敏感性评价 水土保持研究，（）：，（）：张慧，胡梦甜，王延松，等一种土地沙化敏感性评价精细化划定方法：江凌中国生态系统防风固沙功能时空变化分析北京：中国科 学 院 大 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